隔振器參數及高頻駐波效應對浮筏隔振性能的影響

宋金明 張喬斌 尹成彬 吳開峰

（1. 92910部隊，浙江舟山 316000；2. 海軍工程大學，武漢 430033；3. 92771部隊，山東膠南266405；4. 91343部隊，山東威海 264200）

0 引言

動力裝置振動引起的機械噪聲是船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源之一。振動隔離技術是減小機械設備振動能量傳遞到基礎上的一個重要手段。浮筏隔振裝置由于其結構緊湊、效果突出，已成為艦船動力機械減振降噪的有效工具。

浮筏有多種評價指標，從工程實用的觀點來看，振級落差可測量、易操作，本文選擇振級落差作為浮筏隔振性能的評價指標[1]。在實際浮筏隔振系統中，由于結構復雜，影響系統隔振效果的因素有很多。主要包括隔振器參數、筏架、基座的剛度、阻尼等，其中隔振器參數對浮筏的隔振器效果影響最為顯著。分析隔振器參數對隔振效果的影響對浮筏的設計具有一定的指導意義[2,3]。本文利用有限元方法首先計算分析了隔振器剛度、阻尼對隔振效果的影響。然后介紹了隔振器的高頻駐波效應，并定性分析了駐波效應對浮筏隔振性能的影響。

1 浮筏振級落差的有限元計算

浮筏系統的設備、上下層隔振器組、筏架以及基座構成一個空間物理結構，從一般意義上講，這是一個具有分布質量、分布彈性和分布阻尼的物理系統，因而是一個連續參數系統。有限元方法則是將連續參數系統離散化，即以集中參數系統逼近分布參數系統，能在較寬頻帶內揭示浮筏的振動特性[4]。

有限元分析時簡諧力作用下系統運動方程為：

在有限元分析時，對結構進行離散，得到其質量、剛度、阻尼矩陣，即可得到各節點的響應值[5]。

振級落差D的定義為機組在彈性安裝情況下，機器基腳處和基座與隔振器連接點處的振動響應之比：

在區間(t1,t1)內，信號能量的時間平均為：

對于穩態振動信號，若區間變為無窮大，（3）式仍大于零。

振動加速度級為

從信號能量這個意義上來講，振動加速度的振級落差評定也代表了時間平均振動能量的評定。當用dB為單位表示時，可得振級落差(Vibration level difference)：

這里，L a1及L a2分別為機器基腳處和基座與隔振器連接點處的加速度振級[6]。

2 浮筏有限元模型建立

以實艇浮筏有限元為研究對象，建立浮筏有限元模型。建模時時作如下處理：動力設備用剛性固體塊等效其質量、轉動慣量和慣性矩；中間筏體和基座用殼單元模擬；每個隔振器用3個彈簧單元模擬其3個方向的剛度和阻尼；浮筏有限元模型如圖1所示。浮筏上兩設備對稱布置，每臺設備通過4個隔振器與筏體相連，筏體通過6個隔振器與基座相連，中間筏體和基座由厚度為8 mm和10 mm的多塊鋼板焊接而成。材料阻尼系數為0.005，材料密度為37800 kg/m ，彈性模量為2.1 11EPa，泊松比為0.3，隔振器剛度參數見表1，上下層隔振器阻尼比均為0.05。設備激勵由試驗測得的機腳加速度推算得到。

圖1 浮筏有限元模型

表1 隔振器剛度參數

3 隔振器參數對振級落差的影響

隔振器是隔振系統的重要組成部分，對浮筏性能有很大影響，計算分析相關參數對隔振性能的影響有助于在浮筏設計階段選取隔振器參數、確定使用的隔振器型號。

在浮筏的有限元建模時，以三個相互垂直的combin14單元模擬上下層隔振器，即以剛度-阻尼模型代替實際隔振器，這有助于分析在低頻段隔振器參數對隔振效果的影響。在高頻段隔振器的質量效應凸顯出來，具體體現為駐波效應。文中根據試驗測得的隔振器阻抗特性，定性分析了高頻駐波效應對隔振性能的影響。

3.1 隔振器剛度對振級落差的影響

分別改變上下層隔振的剛度參數，計算對應的浮筏振級落差。圖2、3分別給出了上、下層隔振器剛度變化時浮筏隔振系統的振級落差。

圖2 上層隔振器剛度對隔振性能的影響

圖3 下層隔振器剛度對隔振性能的影響

從圖2、3中可以看到，無論是上層隔振器還是下層隔振器，隔振器剛度的增加對隔振效果均會產生不利影響，尤其是在中低頻影響更為顯著。可以得出隔振器剛度的變化主要影響系統低頻部分的隔振性能，對高頻部分影響不大。所以從理論上說，降低隔振器剛度有利于隔振性能的提高，但是在實際設計中，我們又不能把它們設計得太小，否則結構的抗沖擊性能會變得很差。

3.2 隔振器阻尼對振級落差的影響

振動系統的阻尼能有效地控制共振頻率附近的振動，為了研究隔振器阻尼對系統隔振性能的影響，圖4、5分別給出了上、下層隔振器阻尼變化時浮筏隔振系統的振級落差。

圖4 上層隔振器阻尼對隔振性能的影響

從圖4、5中可以看到，上層隔振器阻尼變化和下層隔振器阻尼變化對系統隔振性能均造成不利影響，但上層隔振器阻尼對其影響更為顯著。當上層隔振器阻尼增加5倍時，在30～1000 Hz范圍內隔振效果降低10 dB，而下層隔振器所對應的隔振效果下降5 dB左右。因此，雖然隔振器阻尼能夠有效抑制共振峰值，但考慮到其對系統性能的影響說明隔振器阻尼取值存在一定的上限，隔振器的阻尼不能取得太大。

圖5 下層隔振器阻尼對隔振性能的影響

4 隔振器駐波效應對振級落差的影響

隔振器是一分布質量系統，在中低頻段忽略隔振器的質量這對計算的隔振效果影響并不大。但在高頻振動情況下，隔振器不再符合無質量假設，應考慮其分布質量特性。高頻聲振以彈性波的形式在其中傳播而形成駐波效應，使得傳遞率曲線在高頻處形成許多峰值，嚴重降低了系統的高頻隔振性能，見圖6，此即為隔振器的高頻波動效應[7]。

圖6 隔振器駐波效應

駐波效應反映在隔振器的機械阻抗上即在這一系列峰值處，由于機械阻抗迅速增加，相當于彈性原件在局部頻段趨向“剛化”狀態，其對應的阻抗曲線見圖 7。從機械阻抗的對比看，在低頻段理想彈性元件與實際彈性元件的計算值吻合，高頻段差別較大[8]。

由上述分析以及隔振器機械阻抗理論可知，實際測量隔振器的阻抗特性對全面準確分析浮筏的隔振性能有著至關重要的作用。

隔振器機械阻抗分為加速度阻抗、速度阻抗和位移阻抗，常用的為加速度阻抗或速度阻抗。阻抗測試中影響因素較多，并且隔振器阻抗特性在加載條件下其特性會相應改變。本文利用加速度阻抗或速度阻抗推算出位移阻抗即隔振器的動剛度，雖然在推算過程中存在一定的誤差，但對定性分析隔振器高頻駐波效應對浮筏隔振效果的影響有一定意義，以BE160隔振器為例，圖8即為其速度阻抗與動剛度曲線。

圖7 駐波效應下隔振器阻抗曲線

圖8 BE160隔振器的速度阻抗和動剛度曲線

從圖 8中可知，隔振器動剛度在 0～200 Hz基本上為定值，200～1000 Hz基本上呈線性（在對數坐標下）增加。根據推算得到的動剛度數據，定性分析真實隔振器阻抗特性對浮筏隔振效果的影響，圖9分析了高頻段（200～1000 Hz）兩種隔振器模型對隔振效果的影響。

圖9 兩種隔振器模型對隔振效果的影響

從圖9中可知，隔振器的駐波效應在高頻段對浮筏的隔著效果造成嚴重影響，頻率越高影響越大，在800、1000 Hz處振級落差相差達30 dB左右，因此在浮筏隔振性能的計算評估時，充分考慮高頻駐波效應對分析的準確性至關重要。

5 結論

本文結合有限元方法，計算分析了隔振器剛度、阻尼參數，以及高頻駐波效應對浮筏隔振效果的影響。得到如下結論：

1）隔振器剛度的變化主要影響系統低頻部分的隔振性能，對高頻部分影響不大，增加隔振器剛度會降低浮筏的隔振性能。

2）雖然隔振器阻尼能夠有效抑制共振峰值，但隔振器阻尼的增加不利于浮筏減振降噪尤其在高頻段，因此隔振器阻尼取值存在一定的上限，不能取得太大。

3）隔振器的高頻駐波效應在對浮筏的隔著效果造成嚴重影響，頻率越高影響越大，因此在浮筏高頻段隔振性能計算時應充分考慮隔振器的分布質量，將其建立為剛度-阻尼-質量模型，而不是剛度-阻尼模型。

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